淺析數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

張治彬

內(nèi)容摘要：先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中能提供更高的精度和效率以及節(jié)省大量人工成本，降低次品率。數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代的大型生產(chǎn)活動(dòng)中已經(jīng)成為了必然的方向.本論文主要對數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究了包括傳動(dòng)帶，軸承，齒輪的選材，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。其中設(shè)計(jì)的主要方法是先根據(jù)實(shí)際情況以及專業(yè)知識初定機(jī)械的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后在通過這些數(shù)據(jù)進(jìn)行校核計(jì)算，當(dāng)所有的參數(shù)都確定之后便可以進(jìn)行相應(yīng)的加工裝配調(diào)試工作。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)計(jì)

1.數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的研究背景

數(shù)字控制機(jī)床簡稱數(shù)控機(jī)床，是以數(shù)字化的電腦程序代替人工操作來控制機(jī)床加工零件。數(shù)控技術(shù)是一門新技術(shù)，他的前身是電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)的結(jié)合體。其中電子技術(shù)的延伸——控制系統(tǒng)是數(shù)控加工的核心[4]。

在我國數(shù)控機(jī)床迅速發(fā)展的同時(shí)，也要注意到技術(shù)受制于人，沒有自主創(chuàng)新能力等等問題。在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域我們擁有的自主知識產(chǎn)權(quán)非常少。就像目前美國禁止出口中興芯片這件事一樣，缺乏核心技術(shù)就很容易受制于人。這些問題嚴(yán)重制約了數(shù)控機(jī)床以及數(shù)控加工產(chǎn)業(yè)向高端發(fā)展。

在普通機(jī)床上進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)要求操作者按照特定的工藝流程和工序來加工零件，數(shù)控機(jī)床不需要工人直接對零件進(jìn)行加工操作，而是機(jī)床本身按照存儲在控制系統(tǒng)中的信息來對零件進(jìn)行不同工序的加工。工人的工作是對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行簡單設(shè)定，大大減少了繁雜的體力勞動(dòng)，提高了生產(chǎn)效率。

數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來將主電機(jī)的動(dòng)力傳遞到切削刀具，為其提供切削零件所需要的切削速度和力矩。數(shù)控機(jī)床加工零件類型，以及電機(jī)的安裝位置、類型不同，傳動(dòng)系的組成和布置形式也會(huì)隨之發(fā)生變化。

為了提高精度還需要主軸滿足較高的剛度以及盡可能的防止震動(dòng)。主軸要有較大的功率和扭矩。主軸需要的調(diào)速范圍較寬，因?yàn)樯a(chǎn)過程中情況的復(fù)雜多變，沒有較寬的調(diào)速范圍就無法選擇合適的切削速度和扭矩。

2.數(shù)控機(jī)床的優(yōu)缺點(diǎn)及本文主要研究內(nèi)容

2.1優(yōu)點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床的加工精度高，加工質(zhì)量好，并且重復(fù)精度高。只要修改零件加工程序就能改變零件的尺寸和形狀，這大大提高了工廠改進(jìn)工藝的效率，適用于新產(chǎn)品研制和改型。小批量的生產(chǎn)情況下生產(chǎn)效率高，可以減少生產(chǎn)的時(shí)間?？偟膩碚f，采用數(shù)控機(jī)床加工能極大的提高我國工業(yè)生產(chǎn)的效率，創(chuàng)造價(jià)值。

2.2缺點(diǎn)：維修人員需要具有比較高的文化技術(shù)水平，一般操作數(shù)控機(jī)床都需要有一定的文化基礎(chǔ)，并且機(jī)床設(shè)備費(fèi)用昂貴。由于投入較高，所以不適用于普通的小作坊式生產(chǎn)。

2.3本文主要探討了數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)從需求分析到選擇材料，設(shè)計(jì)計(jì)算，驗(yàn)算校核，最后確定具體數(shù)據(jù)投入生產(chǎn)的過程。

2.4本文采用循序漸進(jìn)的方法，從最初的需求出發(fā)，一步步的做出最后能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的傳動(dòng)主軸。其中以具體零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算為主，通過參考各種文獻(xiàn)里面的計(jì)算公式和計(jì)算方法，設(shè)計(jì)出理論上符合要求的零部件。

本文中數(shù)控機(jī)床的主要參數(shù)：

主軸轉(zhuǎn)速：25到2500rpm

主軸功率：5.5kw

車床最大回轉(zhuǎn)直徑：φ400

本文采用的研究方法：

1明確設(shè)計(jì)要求和研究中的重點(diǎn)難點(diǎn)

2進(jìn)入工廠實(shí)地考察或者在網(wǎng)上尋找相關(guān)視頻，收集相關(guān)資料。

3確定總體的設(shè)計(jì)及方案。

3.數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1選擇傳動(dòng)方案

數(shù)控機(jī)床需要能夠連續(xù)變化的切削速度。采用無級變速可以適應(yīng)需要的工作速度，提高加工精度和效率。但是在采用無極調(diào)速的同時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率相對變高。為了滿足無極變速的同時(shí)降低故障率就需要將無極調(diào)速與有級調(diào)速結(jié)合起來使用。將無級變速裝置與有級調(diào)速裝置串聯(lián)起來，就可以滿足扭矩特性和較大的調(diào)速范圍。

3.2選擇電機(jī)：選擇電機(jī)額定功率Ped ，因?yàn)殡姍C(jī)的額定功率要留有一定適應(yīng)范圍，負(fù)荷率取0.9～0.8，故電機(jī)額定功率取Ped =7.5KW。

3.2.1選擇電壓：查表可得小功率電機(jī)一般選用380V電壓

3.2.2選擇轉(zhuǎn)速

由于采用一根主軸傳動(dòng)，且傳動(dòng)帶長度有限，所以有級變速的變速級數(shù)較少，有極變速的變速范圍也要相應(yīng)的變大，才能適應(yīng)調(diào)速需求。

綜合考慮選用VFNC系列主軸電機(jī)。

4.傳動(dòng)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1主軸組件的性能要求

主軸是用來傳遞動(dòng)力的部件，其性能好壞可以直接影響整個(gè)機(jī)床的性能。質(zhì)量精良的主軸組件需要滿足下面的條件：

2.較高的回轉(zhuǎn)精度：回轉(zhuǎn)中心線的位置，在理想的情況下固定不變。但是實(shí)際上，由于主軸組件中各種因素的影響，回轉(zhuǎn)中心線的位置會(huì)在機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不斷的發(fā)生變化?；剞D(zhuǎn)誤差是指理想回轉(zhuǎn)中心線相對于瞬時(shí)回轉(zhuǎn)中心線在空間的距離。當(dāng)同時(shí)存在軸向誤差和角度誤差時(shí)構(gòu)成端面跳動(dòng)。而同時(shí)存在徑向誤差和角度誤差時(shí)，就構(gòu)成徑向跳動(dòng)。我們在設(shè)計(jì)過程中要盡量減小回轉(zhuǎn)誤差和避免徑向跳動(dòng)。

3.較大的剛度：物體受外力作用時(shí)抵抗變形的能力叫做的剛度。主軸組件剛度大，主軸受力作用時(shí)發(fā)生的形變小，主軸的加工精度和設(shè)備使用壽命就會(huì)相應(yīng)的提高。主軸有足夠的剛度來對抗外力，就能保持正常工作狀態(tài)。

4.良好的抗振性：主軸組件抗振興好，機(jī)械可以減小不必要的震動(dòng)，對工人和機(jī)械本身都有好處。要想獲得良好的抗震性，可以通過提高主軸組件的靜剛度，以及使主軸的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于引起震動(dòng)的外力的頻率等手段來處理。

5.溫升：主軸工作過程中，溫升過高的弊端：溫度升高主軸上面的元件會(huì)熱脹冷縮而改變間隙大小。甚至?xí)l(fā)生“抱軸”現(xiàn)象;主軸和箱體上面的組件受熱會(huì)發(fā)生相對位置發(fā)生變化，改變原本設(shè)計(jì)好的位置。為了減小工件的磨損，主軸還需要良好的潤滑和耐磨損能力。

4.2對支撐件的設(shè)計(jì)要求

支撐件主要起支撐作用，良好性能的支撐件可以保證機(jī)械個(gè)個(gè)部件之間的距離，減小震動(dòng)。所以支撐件的合理設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。對于支撐件我們提出如下要求：

1.較大的剛度和較小的質(zhì)量。

2.良好的動(dòng)態(tài)特性，使之不會(huì)輕易發(fā)生設(shè)計(jì)之外的移動(dòng)而降低精度;避免非正常的振動(dòng)發(fā)出噪聲。

3.熱穩(wěn)定性要好，

4.注重結(jié)構(gòu)工藝性，方便排屑，運(yùn)轉(zhuǎn)安全.

5.結(jié)論

本文在嚴(yán)格按照實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮了經(jīng)濟(jì)性原則，零件加工難度，整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)際生產(chǎn)中的壽命等等問題，根據(jù)所學(xué)的知識來對數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)中主要的系統(tǒng)包括電機(jī)，傳動(dòng)帶，與主軸上的齒輪等組件。用兩級或三級齒輪來擴(kuò)大無極調(diào)速的范圍，結(jié)構(gòu)簡單，不容易出現(xiàn)故障。

參考文獻(xiàn)：

[1]王毅可.VMC4032加工中心立柱主軸設(shè)計(jì)[D].河南：河南工業(yè)大學(xué)， 2012：3-4.

[2]王潤孝.《機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)》[M].陜西?。何鞅惫I(yè)大學(xué)出版社，2016

[3]文懷興. 《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》[M].陜西?。夯瘜W(xué)工業(yè)出版社，2017

[4]濮良貴，紀(jì)名剛主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》[M].北京：高等教育出版社，2016.5

[5]原方.《工程力學(xué)》[M].北京市：清華大學(xué)出版社，2017

[6]萬士保，力昌英. 《大學(xué)物理下》[M].武漢市：武漢理工大學(xué)出版社.2015